飛機整體結構件數控加工中發(fā)生的問題與解決方案

摘? 要：現代航空業(yè)的發(fā)展趨勢是高機動、高安全性、高新材料，因此，在飛機上采用了大量的集成結構，從而大大減少了飛機組裝的工作量，提高了飛機的整體性能，推進飛機結構性能的最優(yōu)開發(fā)。但是，目前的制造加工工業(yè)，由于其加工工藝、材料等的特殊性，使得加工制造中出現了變形，對加工設備的要求也相對提高。為此，應采取主動、高效的工藝技術，提高飛機結構件數控加工的質量與效率，促進我國航空工業(yè)的發(fā)展。對此，本文討論了飛機結構件數控加工中出現的問題和解決辦法。

關鍵詞：飛機整體結構件;數控加工;結構特點;分析;探討

前言

在工業(yè)4.0時代到來的今天，航空制造業(yè)的數字化、自動化、柔性化、智能化是未來航空制造發(fā)展的必然趨勢。國外軍用民用飛機制造企業(yè)為了降低生產成本和人工成本，把飛機數字化生產線的制造技術作為其核心技術。基于同類產品的數字尺寸協(xié)調系統(tǒng)，大規(guī)模地運用了數字化脈沖線制造，并在不需要人為干涉的情況下，在數字化裝配等制造領域，實現了流水線加工模式。近幾年，航空生產技術迅速發(fā)展，航空產品、裝備、工藝等以信息化為動力;管理、服務的數字化、自動化和智能化是航空工業(yè)發(fā)展的主要趨勢。為了適應航空工業(yè)結構構件柔性化和自動化發(fā)展的需要，國外先進航空公司開始了以自動生產線為代表的飛機結構零件生產的新模式。為了滿足新一代飛機的技術需求，使其生產效率和產品品質得到極大地提升，我國航空發(fā)動機制造企業(yè)積極發(fā)展飛機結構件生產線，實施數字化、自動化、信息化的生產線建設，提高飛機結構件加工數字化與自動化制造水平，推動飛機制造業(yè)的轉型升級。本文介紹了飛機結構件三軸加工工藝模型，并對其工藝方法、數控編程、測試等進行了深入的研究，實現了自主研發(fā)和設計，從而突破了國外一些技術領域的局限，節(jié)省了生產成本;最后，實現飛機結構件的流水線制造，對于提高航空工業(yè)的整體技術水平，將會起到很大的作用。

1、飛機結構件概述

飛機的結構部件種類繁多，形狀復雜，材料多樣，是飛機機身結構和氣動外形的主要部件。相對于普通的機械部件，它具有較高的加工難度和生產水平。例如：壁板、橫梁、框架、座艙罩骨架等與構成飛行器氣動外形的流線型曲面、各種異型斷面、結合槽口;交點孔結合為一種復合結構。整體構件的尺寸較大，壁面較薄，容易發(fā)生變形，各部件之間的間隙只有2～5毫米，而腹板的厚度只有2～4毫米。航空工業(yè)中，零件的數控加工是航空零部件的重要組成部分，新一代戰(zhàn)機中，CNC加工占75%以上，這些CNC件主要包括框架、橫梁和肋條;壁板、連接件和蜂窩狀構造，其中框、梁、肋、壁板和聯軸節(jié)是飛機結構中最典型的部件，其加工周期長、數量大、工藝難度大。

2、飛機整體結構件結構特點

從目前我國航天飛行的實際情況來看，目前的飛機結構部件是以鋁合金、鈦合金和復合材料為主。在飛機的整體結構中，鋁合金是最主要的成分。但隨著我國化學材料的不斷發(fā)展，復合材料產品在航空工業(yè)中的應用將會越來越廣泛，其應用范圍也會越來越廣。

2.1飛機整體結構件的外部特點

飛機整體結構部件包括：機翼整體油箱壁板、機身活動艙門、機身整體框架和機翼橫梁。①整體構件的形狀和大小都很大。目前，大部分的整體結構都是采用一整片鋁合金板材進行整體加工，但有些構件采用了框架結構，有些采用了梁結構，采用了不同的鋁合金材質。所以各種形狀和大小的材料都要依賴于大型CNC。②飛機的整體構件內部構造比較復雜。飛機的總體構型雖有一定的規(guī)律性，但其表面的加工弧度、變斜角等參數的控制與飛機的飛行原理等有著密切的關系，所以在制造過程中需要考慮的細節(jié)也很多。例如，在整個結構構件的內部，存在著許多“槽腔”，在加工過程中必須避免尖銳的棱角。③薄壁構造增多。飛機的整體構件沒有太多的肋骨和肋骨，通常厚度為5～0.5mm，屬于薄壁結構，對數控技術有很高的要求。

2.2飛機整體結構件的加工特點

①處理的工作量很大。以上所提及的整個飛機的結構部件都是采用全鋁合金板材進行加工，其切割率高?？傮w上可達90%以上，而且整體結構件的質量也比較輕。為了適應飛機整體結構零件的精密要求，需要在加工過程中應用高速切削技術。此外，整個結構具有多個特點，總體大小差異很大，各部件的特點剛度要求也各不相同，對加工工藝的要求也很高。②對表面處理的質量有很高的要求。由于飛機整體零件的加工過程中，有些零件的連接部分需要進行CNC加工，對角度和叉耳槽等精度要求很高，所以在CNC加工中，需要一次裝夾來實現。③它包含了許多特殊的結構，例如，薄壁結構，在制造過程中，對不同的裝夾工藝、數控機床的走刀策略都有了更精確的要求，同時也要防止飛機的整體薄壁結構在加工過程中出現顫振。④需要更高的參數性能。在航空發(fā)動機的結構加工中，存在著大量的曲面，因此，數控機床必須進行五軸聯動，對軸承等具有很高的柔性。

3、飛機整體結構件數控加工存在的問題

根據飛機整體結構零件的特性，目前的CNC加工技術存在著加工變形、零件產生偏移等質量問題。

3.1飛機整體結構件數控去除引起的工件變形

在切割過程中，零件的內部破壞會破壞零件的平衡，造成零件內部變形<0.3mm。從實際生產的飛機結構零件的加工過程中，分析了造成零件變形的機理，其機理有：①由于加工物料的殘余壓力釋放而引起的結構件變形。以上所提及的飛機整體構件所需的材料體積大，且在處理過程中所產生的應力也比較集中。在整體結構零件的制造過程中，材料的內部應力會聚集在一起，而在某些工藝過程中，通過熱處理等工藝過程，可以充分地釋放出結構構件中的殘余應力;從而造成已加工完畢的整體構件部分的變形。②刀具尺寸對整體構件產生的形變效應。在數控機床上，刀具尺寸的選取是實現飛機整體零件的關鍵。目前，在進行整體結構零件的切削時，必須要用鉗子將刀片的位置和尺寸固定下來，而一旦切割完成，整個構件的內應力就會被釋放出來，從而引起變形。可以認為，隨著加工厚度的減小，所產生的應力和變形將更為顯著。③切削過程中，對飛機整體結構零件的條件設定的影響。在整個結構件數控機床的制造中，要使整個零件充分自由地裝配到夾具和機床的表面上是不可能的;失去夾持力的整體構件，將會發(fā)生表面的變形。

3.2數控機床加工中刀具對工件的變形影響

在對工件進行毛坯的加工時，必須采用夾具結構來固定工件，并根據照排系統(tǒng)設定的工藝過程，對零件的曲面進行控制。然而，由于工件自身的厚度較低，其整體剛度低，加工過程中所需的物料數量減少，而在高速切削過程中，其變形難以預測，難以控制。

4、導致整體結構件加工變形的具體因素分析

在對工件進行毛坯的加工時，必須采用夾具結構來固定工件，并根據照排系統(tǒng)設定的工藝過程，對零件的曲面進行控制。然而，由于工件自身的厚度較低，其整體剛度低，加工過程中所需的物料數量減少，而在高速切削過程中，其變形難以預測，難以控制。

4.1減少材料中剩余壓力的釋放造成的結構件變形

在結構制造過程中，由于結構構件的變形，其變形主要表現在三個方面：一是由于殘余應力的釋放而使結構件發(fā)生變形;其次，使用工具在切削工件時所產生的應力;第三，在切削或加工時，由于夾具的影響而引起的變形。

4.2刀具對工件的作用效果

工件的毛坯在加工后，由于夾具的夾持，必然會產生一些變形，而這種變形是由工件的加工夾具引起的;因此，這樣的變化是很難避免的。從工件自身的特點出發(fā)，隨著工件的整體厚度增加，其剛性也相應增加，剩余應力也相對較少。但由于工件的整體厚度很低，所以在卸載過程中，工件會發(fā)生很大的應力變形，這種現象必須得到充分的關注，并通過適當的退火處理來消除。

4.3工件在切削加工中的裝夾條件

沒有工件裝夾的完全自由。在裝夾完成后，工件受到夾持力的作用，使工件與夾具或床身接觸。完成工件切割后，工件仍能均勻地與夾具或機床床表面相配合，卸下夾緊后，再無夾緊力;從而產生表面的拉、壓應力，從而產生抗變形的作用。

5、飛機整體結構件數控加工的對策

5.1如何實現對結構件加工變形的抑制

5.1.1對毛坯工件的殘余應力進行全面消除

通過研究，可以看出，在加工過程中，可以采用預拉伸、退火、冷加工等方法來去除殘余應力。為了消除剩余應力，必須對具有特殊材料的坯件，如鋁合金等進行冷加工。從冷加工的角度來看，它是將毛坯放入冷卻介質中，待待成型的工件達到冷卻狀態(tài)后，再利用高速蒸汽將其噴出。該方法可有效地解決坯件的應力和變形，并最終消除了坯料的應力。

5.1.2對毛坯工件切削加工產生的應力全面消除

在對坯件進行切削時，坯件在刀具的切割下，會產生大量的熱，并在一定程度上形成應力。這會造成坯件的變形。低應力切削技術是以降低切削單位體積能耗為目的，采用更高的切削速度和更少的切削用量，以減小切削硬化層，改善加工表面的完整性;此外，高速切削的硬鋁合金加工速度非常快，超過95%的切削熱都會從工件中排出，而不會因高溫而產生彎曲和變形。在切削加工中，對刀具的內部冷卻和壓力的控制是十分關鍵的。

5.2切削加工工藝的優(yōu)化

為了降低整體結構零件的加工變形，應從工藝的觀點來考慮，合理地安排加工過程和各工序之間的余量分布。對兩面的工件，要在兩面都進行均勻的切削。同時，通過對夾具的改造，可以對工件的變形進行有效的控制。飛機整體薄壁結件的加工，需要使用真空夾具，而真空夾具可以保證良好的位置和支承;此外，在多槽加工復雜零件時，每一槽僅完成一道工序，然后用刀具對另一道槽進行切削;每一槽僅加工一層，多層可將復雜零件的多道槽完成，從而可降低復雜、多槽零件的加工變形。

5.3整體結構件加工變形的校正

根據目前的研究成果，目前對大型整體構件加工時的變形成因尚未形成統(tǒng)一的認識，采用的方法很難滿足實際需要;因此，有必要對這些問題進行有效的糾正。從我國現行的矯正變形方法來看，大多是采用糾偏裝置，實際實施效果不佳，成功率低。了解到，要對加工過程中產生的變形進行有效的修正，必須首先認識和識別工件的變形，然后采取相應的安全糾正措施;確保對已加工的工件進行有效的修正，且不會對工件造成傷害。

5.4對工件的變形情況進行了解和識別

在了解了工件的變形后，可以看出，工件的變形主要有彎曲和扭轉兩種。通過對其定義的推導，得出了彎曲變形的方向是縱向的，即工件在某一平面上的彎曲和變形，而扭轉變形是三維的;是指在一定的角度上，所產生的扭曲變形。由于兩者在變形模式、變形程度等方面存在著一定的差異，因此，要正確地識別出工件的變形，就必須對其采取正確而有效的糾正措施。3.2整體構件的安全校形總體構件通常存在著彎曲和扭曲兩種情況，其校形工藝順序為先扭后折。實踐表明，這種次序對完全消除變形是有利的。采用科學的校正措施，確保了整體構件的加工精度。目前，對工件的校直大多是采用沖壓、彎曲等方法。但是，某些工件由于本身材質的緣故，不能進行修正;此類工件，如果其變形超過了容許的產品，將會因為其變形過大而不能使用。

5.5優(yōu)化飛機整體結構件的數控加工工藝

5.5.1優(yōu)化切削加工工藝

目前，對飛機整體結構件數控加工工藝進行優(yōu)化是降低其加工制造變形的主要途徑。目前，為了達到最佳切削加工的目的，可以對整個結構零件的兩個表面進行均勻的加工，并對其進行合理的加工。同時，對整個結構進行了兩個側面加工時，由于夾具的改進而引起的位移變形。例如，在薄壁結構的制造中，利用更薄的結構夾具來支持零件，保證了CNC的連續(xù)加工。

5.5.2展開對飛機整體結構件的變形校正處理

盡管在實際生產中，已有一系列的零件加工變形控制技術，但這種控制方法無法有效地實現產品的精度要求。同時，還可以采用一種修正的方法，對可能出現的變形進行修正，從而使加工后的工件的變形得到有效的修正。對飛機的總體結構進行精確的控制。首先，必須要對整個結構件的變形進行全面的認識和識別，這樣才能對其進行相應的處理，比如結構件的加工變形一般是彎曲和扭曲。前者是縱向上的變形，后者是三維的，也就是說，在一定的角度上，它會發(fā)生扭曲。其次，對整個航空器進行了變形修正。在整個飛機結構構件的變形中，必須遵循先扭后折的原則，然后進行撓曲修正，這樣才能完全避免整體構件的變形。目前在生產技術的支撐下，常用的糾偏方法有沖壓和彎曲矯直器。但如果在數控加工過程中，由于零件的變形超出了容許值，就不能進行糾正。

5.6精度檢查和相關調整

根據航空大型結構零件的精度要求，再結合機床的特點和壽命，確定相應的檢驗項目，并按此方案進行的檢驗方法有以下三種。

5.6.1日精度檢查

機床精度日檢驗是由操作員每日進行的，每日的主要工作就是定位精度，主要是重復定位精度和機床原點精度，其次是用激光探測器對機床原點進行校正，日檢時的精度可以根據坐標校正來調整，從而更好地保證加工部位的定位，保證產品的品質。

5.6.2月精度檢查和相關調整

每月的精度檢查項目都是由相關的維護人員來完成的，并且要有一定的時間來進行設備的幾何精度的檢測，每個檢測項目都要設置一個與之相適應的允許偏差。月精度檢查的主要內容是關于機床部件和重點項目，月精度檢查的內容不多，操作也比較簡單，一次檢查的時間大概在一個小時左右，這樣可以讓設備部門實時了解設備的動態(tài)。每月檢查的內容有：主軸與Z軸平行度檢查，主軸徑向跳動，主軸軸向跳動;主軸與C軸的共軸度等多項工程。

5.6.3年精度檢查

年精度檢查包括了設備的年度精度檢查，包括幾何精度、位置精度和工作精度，檢查的內容包括了各個坐標軸的垂直度、各坐標軸的重復定位精度、機床的動態(tài)精度等，其中芯棒、球頭刀具、大理石方尺等等。

6、結語

綜上所述，飛機的總體結構零件數量控制技術是關鍵。根據目前飛機總體結構的CNC加工技術，可以看出，由于飛機整體結構具有可復制性和較大的尺寸，結構中存在多薄壁結構、曲面結構等特征，而目前的數控機床設備并沒有達到最佳的性能，因而在制造過程中會產生結構的畸變。因此，必須對其進行正確的處理，并對其產生的機理進行分析，提出相應的優(yōu)化控制措施，使飛機的整體結構件數控加工過程精度得到最優(yōu)控制。

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作者簡介：

于天成，男，1991-06，漢族，遼寧沈陽，本科學，助教，研究方向：數控加工。